水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法
【專利摘要】一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法，利用地下巖體工程正常生產(chǎn)中，為了解前方的地質(zhì)情況在前方鉆的探水的鉆孔，在鉆孔之前嚴(yán)格遵循探水的相關(guān)規(guī)程。鉆孔的布置方式采用扇形布置方式，另一個(gè)位于中間位置。采用開槽鉆在所有鉆孔中開若干個(gè)楔形槽，之后再進(jìn)行高壓注水，利用水壓在楔形槽的應(yīng)力集中作用，使得破壞圍巖其完整性。利用膨脹劑凝固體積增大的特性，在水壓致裂以后注入凝固劑，使得鉆孔中裂隙發(fā)育更加完善。根據(jù)巖石的化學(xué)成份配置配制相關(guān)的化學(xué)溶液，并將其注入鉆孔中?；瘜W(xué)溶液與圍巖的化學(xué)反應(yīng)可以降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中既利用了探水需要的鉆孔，并將化學(xué)物理方法相結(jié)合，可以達(dá)到快速推進(jìn)掘進(jìn)面的目的。
【專利說明】
水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種快速掘進(jìn)巷道的方法，特別是一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法水的技術(shù)方案。
【背景技術(shù)】
[0002]無論在煤礦開采過程中還是在隧道開挖中，巖體或煤巖體中巷道的掘進(jìn)伴隨其始終。在我國大部分礦區(qū)，巖巷中的掘進(jìn)一般采用鉆爆法;半巖巷和煤巷中一般采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。近幾年光面爆破技術(shù)的推廣和大功率掘進(jìn)機(jī)的使用使得巷道掘進(jìn)的速度加快了很多，但是在巖巷和半巖巷的掘進(jìn)過程中，巖石的強(qiáng)度大、整體性強(qiáng)仍是制約掘進(jìn)速度的一個(gè)主要因素。除此之外，常見的鉆爆法在實(shí)際生產(chǎn)過程中程序是相當(dāng)繁瑣的，加之巷道掘進(jìn)提前探放水，探放瓦斯的環(huán)節(jié)，需要更多的人力、物力和時(shí)間，使得巷道的掘進(jìn)的速度仍然不容樂觀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是解決當(dāng)前技術(shù)條件下，存在巷道掘進(jìn)速度慢、耗費(fèi)太多人力和物力的問題，基于這些問題提出了掘進(jìn)速度快、效率高和安全有效的一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法。
[0004]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005]—種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法，所述方法是按下列步驟進(jìn)行的:
(1)利用探水鉆在與工作面相距20-30m的掘進(jìn)面上鉆四個(gè)鉆孔，鉆孔的設(shè)置方式為三個(gè)孔呈扇形形式布置，另一個(gè)孔位于中間位置，鉆孔的深度為100-500m;
(2)利用開槽鉆在邊緣鉆孔中每隔4-7m開一個(gè)楔形槽，從孔底依次開槽分別為第一個(gè)，第二個(gè)，……，直至到孔口；
(3)將注水封孔器與高壓管路相連接，高壓管路的另一端與高壓水栗相連，然后將注水封孔器置于每個(gè)楔形槽的的底部，最后打開高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水致裂，注水壓力(50Mpa，注水時(shí)間(200s，注水時(shí)對壓力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
(4)水壓致裂完畢后，向三個(gè)邊緣鉆孔中注入膨脹劑，膨脹劑的凝固時(shí)間在20min-120min之間，凝固后，向中間孔注入化學(xué)溶液；
(5)對巷道圍巖進(jìn)行取樣，按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程，測定其單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率和透水性的各參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定圍巖的主要礦物成分，根據(jù)圍巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液，測定在相同的時(shí)間內(nèi)，不同濃度的溶液對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，測定在相同濃度的條件下，不同的時(shí)間段對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，經(jīng)過擬合確定溶液的合適濃度；
(6)根據(jù)圍巖的孔隙率、吸水性和滲透性等相關(guān)參數(shù)和膨脹劑致裂的效果確定向孔內(nèi)注入的液體量和注液時(shí)間； (7)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圍巖主要化學(xué)成分是S12，用化學(xué)試劑為NaOH溶液，經(jīng)驟五的擬合結(jié)果確定化學(xué)液體濃度的范圍為0.3%-0.5%，浸泡時(shí)間為7天-10天;進(jìn)一步確定圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度與化學(xué)溶液反應(yīng)時(shí)間的規(guī)律為:
δ= -aln(t)+ δο+Δ
式中，δ為巖體與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時(shí)間，知為巖體的天然單軸抗壓強(qiáng)度，A為修正系數(shù)。
[0006]本發(fā)明上述所提供的一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在巷道斷面鉆四個(gè)鉆孔，其中三個(gè)為邊緣鉆孔，另一個(gè)布置在其中央，然后在邊緣鉆孔中開楔形槽，并進(jìn)行高壓封堵注水，開楔形槽的目的是應(yīng)力在楔形槽中集中，增大應(yīng)力對巖石的破壞作用，使巖石的裂隙發(fā)育更快，水壓致裂之后，再將化學(xué)膨脹劑注入外邊緣的三個(gè)孔中，膨脹劑凝固以后體積會(huì)膨脹，加劇了對圍巖的作用，使得裂隙在水壓致裂的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的發(fā)展，之后向中間的那個(gè)孔注入化學(xué)溶液，利用化學(xué)溶液與巖石的作用能夠降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度，由于裂隙的發(fā)育程度高，使得化學(xué)溶液與裂隙接觸充分，反應(yīng)更徹底，該方法可以明顯加快掘巷的速度，而且有效利用了原來超前探水的探孔，除此之外，圍巖的強(qiáng)度降低，有效地降低了掘巷過程中產(chǎn)生的粉塵，人員和設(shè)備得到了安全的保障，確保巷道的安全高效掘進(jìn)，具有很大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0007]圖1是本方法的設(shè)置平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是本方法的設(shè)置平面結(jié)構(gòu)右視圖。
[0009 ]圖中:1、掘進(jìn)面;2、鉆孔;3、注液孔。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作出進(jìn)一步的說明。
[0011]實(shí)施一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法，該方法是按下列步驟進(jìn)行的。
[0012]步驟一、利用探水鉆在與工作面相距20-30m的掘進(jìn)面上鉆四個(gè)鉆孔，鉆孔的布置方式為其中三個(gè)孔呈現(xiàn)扇形形式布置，另一個(gè)孔位于其中間的位置，鉆孔的深度為100-500m左右，鉆孔的主要目的有兩個(gè)，其一為超前探水，其二為以下步驟中所述。
[0013]步驟二、利用開槽鉆在邊緣鉆孔中每隔4_7m開一個(gè)楔形槽，從孔底依次開槽分別為第一個(gè)，第二個(gè)，……，直至到孔口，開槽鉆現(xiàn)在在該領(lǐng)域內(nèi)使用相當(dāng)廣泛，其結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)技術(shù)人員熟知。
[0014]步驟三、將注水封孔器與高壓管路相連接，高壓管路的另一端與高壓水栗相連，然后將注水封孔器置于每個(gè)楔形槽的的底部，最后打開高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水致裂，每個(gè)階段的壓力值不能超過50Mpa，注水時(shí)間不能超過200 s，在注水工程中，要對壓力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0015]步驟四、水壓致裂完畢后，向三個(gè)邊緣鉆孔中注入膨脹劑。膨脹劑的凝固時(shí)間一般在20min-120min之間，然后等凝固完畢后，向中間的孔注入化學(xué)溶液。
[0016]步驟五、對巷道圍巖進(jìn)行取樣，按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程，測定其單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率和透水性的各參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定圍巖的主要礦物成分，根據(jù)圍巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液。測定在相同的時(shí)間內(nèi)，不同濃度的溶液對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，測定在相同濃度的條件下，不同的時(shí)間段對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，經(jīng)過擬合確定溶液的合適濃度。
[0017]步驟六、根據(jù)圍巖的孔隙率、吸水性和滲透性等相關(guān)參數(shù)和膨脹劑致裂的效果確定向孔內(nèi)注入的液體量和注液時(shí)間。
[0018]步驟七、根據(jù)許多試驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)的圍巖的主要化學(xué)成分是S12,大約占總量的50%以上，可以確定其化學(xué)試劑為NaOH溶液，經(jīng)過步驟五的擬合結(jié)果最終可以確定化學(xué)液體濃度的大致范圍為0.3%-0.5%的溶液，浸泡時(shí)間在7天-10天左右，進(jìn)一步可以確定圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度與化學(xué)溶液反應(yīng)時(shí)間的規(guī)律為:
δ= -aln(t)+ δο+Δ
上式中J為巖體與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時(shí)間，知為巖體的天然單軸抗壓強(qiáng)度，A為修正系數(shù)。
[0019]為了使本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖以及實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，針對大同某煤礦的開掘面進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)施，大同某礦的埋深400m左右，圍巖的普氏系數(shù)為7.4，實(shí)施方法如下:
步驟一、正常的生產(chǎn)過程中，需要在超前采掘面探放水，利用探水鉆在掘進(jìn)面上鉆五個(gè)鉆孔;外緣四個(gè)鉆孔布置方式呈現(xiàn)扇形形式布置，另一個(gè)布置于其中間的位置，鉆孔的深度為 45m。
[0020]步驟二、利用開槽鉆在所有鉆孔中每隔6m開一個(gè)楔形槽，從孔底依次開槽分別為第一個(gè)，第二個(gè)，……，直至到孔口，開槽完畢后，將注水封孔器與高壓管路相連接，高壓管路的另一端與高壓水栗相連，然后將注水封孔器置于每個(gè)楔形槽的的底部，最后打開高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水致裂，每個(gè)階段的壓力峰值為50Mpa，注水時(shí)間為120 S，在注水工程中，要對壓力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0021]步驟三、水壓致裂完畢后，向外邊緣四個(gè)孔中注入膨脹劑，膨脹劑的凝固時(shí)間為60min之間，然后等凝固完畢后，向中間的孔注入化學(xué)溶液。
[0022]步驟四、對采掘面的圍巖進(jìn)行取樣，按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程，測定其單軸抗壓強(qiáng)度為52.48MPa、孔隙率為2.69%、吸水性2.58%，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定圍巖的主要礦物成分為S12，含量占65%，根據(jù)圍巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液NaOH溶液，經(jīng)過許多試驗(yàn)可以確定溶液的合適濃度為0.5%，注入的液體量為圍巖體積的I/3，注液時(shí)間2h，浸泡時(shí)間在7天-10天左右。
[0023]進(jìn)一步可以確定圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度與化學(xué)溶液反應(yīng)時(shí)間的規(guī)律為:
δ= -aln(t)+ δο+Δ
上式中J為圍巖與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時(shí)間，δο為圍巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度在，此取52.48MPa，Δ為修正系數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種水壓致裂化學(xué)膨脹劑充填快速掘進(jìn)巷道的方法，所述方法是按下列步驟進(jìn)行的: (1)利用探水鉆在與工作面相距20-30m的掘進(jìn)面上鉆四個(gè)鉆孔，鉆孔的設(shè)置方式為三個(gè)孔呈扇形形式布置，另一個(gè)孔位于中間位置，鉆孔的深度為100-500m; (2)利用開槽鉆在邊緣鉆孔中每隔4-7m開一個(gè)楔形槽，從孔底依次開槽分別為第一個(gè)，第二個(gè)，……，直至到孔口； (3)將注水封孔器與高壓管路相連接，高壓管路的另一端與高壓水栗相連，然后將注水封孔器置于每個(gè)楔形槽的的底部，最后打開高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水致裂，注水壓力(50Mpa，注水時(shí)間(200s，注水時(shí)對壓力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控； (4)水壓致裂完畢后，向三個(gè)邊緣鉆孔中注入膨脹劑，膨脹劑的凝固時(shí)間在20min-120min之間，凝固后，向中間孔注入化學(xué)溶液； (5)對巷道圍巖進(jìn)行取樣，按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程，測定其單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率和透水性的各參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定圍巖的主要礦物成分，根據(jù)圍巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液，測定在相同的時(shí)間內(nèi)，不同濃度的溶液對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，測定在相同濃度的條件下，不同的時(shí)間段對圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，經(jīng)過擬合確定溶液的合適濃度； (6)根據(jù)圍巖的孔隙率、吸水性和滲透性等相關(guān)參數(shù)和膨脹劑致裂的效果確定向孔內(nèi)注入的液體量和注液時(shí)間； (7)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，圍巖主要化學(xué)成分是S12,用化學(xué)試劑為NaOH溶液，經(jīng)驟五的擬合結(jié)果確定化學(xué)液體濃度的范圍為0.3%-0.5%，浸泡時(shí)間為7天-10天;進(jìn)一步確定圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度與化學(xué)溶液反應(yīng)時(shí)間的規(guī)律為: δ= -aln(t)+ δο+Δ 式中，δ為巖體與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時(shí)間，知為巖體的天然單軸抗壓強(qiáng)度，A為修正系數(shù)。
【文檔編號】E21B49/02GK106089174SQ201610500837
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】季春旭, 劉東娜, 張彥斌, 楊永康, 郭澤峰, 張智敏
【申請人】太原理工大學(xué)